Moderne Analysemethoden zur Charakterisierung funktioneller Nanomaterialien

Diese Dissertation befasst sich im Kern mit den verschiedenen Messmethoden zur Charakterisierung synthetisierter Nanopartikel und -filme, allem voran mit dem Rasterkraftmikroskop. Bei letzterem handelt es sich um ein beliebtes und nützliches Werkzeug zur Bestimmung der elektrischen, elektrostatischen, magnetischen, mechanischen und topographischen Eigenschaften einer Probe oder eines gewählten Probenbereichs mit bis zu 150 µm Kantenlänge. Mit dem Rasterkraftmikroskop ist es zudem möglich, Auflösungen im Sub-Nanometerbereich zu erreichen und somit einzelne Atome abbilden zu können. Das Messprinzip dieses Mikroskops bildet eine spitze Nadel, die in geringem Abstand über die Probenoberfläche gefahren und aufgrund von Wechselwirkungen mit dieser Oberfläche aus ihrer vertikalen Ruheposition ausgelenkt wird. Diese Auslenkung wird beispielsweise über einen auf der Rückseite des Cantilevers reflektierten Laser detektiert. Aus dem Messsignal kann auf die wirkenden Kräfte zwischen Probe und Spitze geschlossen werden. Die einfache Probenvorbereitung sowie die Möglichkeit, in Vakuum, an Luft und in Flüssigkeit messen zu können, machen die Rasterkraftmikroskopie zu einem vielfältigen Werkzeug in der Nanotechnologie und der Bionanotechnologie. Daneben werden weitere Messverfahren vorgestellt, darunter das Elektronenmikroskop, das komplementär zur Rasterkraftmikroskopie Informationen über das Aussehen und die Zusammensetzung einer Probe liefert. Aus mehreren wissenschaftlichen Arbeiten, die im Laufe der Promotionszeit entstanden sind, wird hier auf zwei Projekte näher eingegangen. In einem ersten Projekt wurden Nanopartikel synthetisiert, indem ein gepulster Laserstrahl auf ein Metallstück (Target) geschossen wurde, das sich in einer Flüssigkeit befand. In der Folge entstanden Nanopartikel, die sich in der Flüssigkeit lösten. Diese Methode zur Synthese von löslichen Nanopartikeln ist als Pulsed Laser Ablation in Liquids (PLAL) bekannt. Die Nanopartikel bestehen letztendlich aus Bestandteilen des Targets und der Lösungsmittelmatrix. Konkret wurde als Target Gold verwendet, während die Flüssigkeit aus destilliertem Wasser, geringen Mengen an Natriumchlorid und geringen Mengen an Natronwasserglas bestand. Die Nanopartikel konnten als Kern-Schale-Partikel (Core-Shell-Partikel) charakterisiert werden, wobei der Goldkern mit einer dünnen Silikatschale überzogen war. Die Synthese der Nanopartikel wurde mittels Screening-Verfahrens über Laserpuls-Eigenschaften und Zusammensetzung der Lösung optimiert. Anschließend wurden die Nanopartikel auf ihre elektrostatischen, topographischen und mechanischen Eigenschaften sowie ihre Zusammensetzung untersucht. Zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften wurde im Rahmen dieser Dissertation eine Software entwickelt, die aufgenommene Kraft-Abstands-Kurven unter Einbeziehung aktueller Kontaktmechanik-Modelle auswertet. Anschließend wurde die Toxizität der Partikel auf verschiedene Zellarten in vitro untersucht. An der Chinese Academy of Sciences, Ningbo, Volksrepublik China, wurden mit diesen Partikeln außerdem sowohl die Zelltoxizität in vitro an weiteren Zellen untersucht als auch eine Histologie und eine Bestimmung der Biodistribution der Nanopartikel in vivo an einer Maus durchgeführt. Außerdem wurde die Effektivität der Umwandlung der Laserstrahlung in Wärme bestimmt. Aus den Ergebnissen ließen sich wertvolle Informationen bezüglich der Anwendung der Nanopartikel in der photothermalen Krebstherapie gewinnen. Sie können zukünftig als Ausgangspunkt für weitere Arbeiten dienen. Außerdem konnte das Potenzial dieser Synthesemethode für medizinische Anwendungen bestätigt werden. Im zweiten Projekt, das hier näher beschrieben wird, wurde versucht, eine Monoschicht an Purpurmembran (PM) auf einem dünnen Substrat zu erzeugen. Dabei handelt es sich um eine Membran, die lichtgetrieben Protonen von einer Seite auf die andere Seite pumpen kann. Eine einheitlich orientierte Monoschicht könnte als große, dünne Protonenpumpe dienen. Die Proben wurden mittels Rasterkraftmikroskopie und Elektronenmikroskopie charakterisiert. Dabei wurde die Purpurmembran zuerst in Puffer bzw. in destilliertem Wasser verdünnt und auf verschiedenen Substraten trocknen gelassen. Es wurden sowohl Topografie als auch elektrostatische Eigenschaften zur Bestimmung der Orientierung der Membran bestimmt. Zur Verbesserung des Ergebnisses wurde ein elektrisches Feld angelegt, um die PM über Elektrosedimentation und elektrophoretische Sedimentation auf dem Substrat abzuscheiden. Nach Wechseln vom Wildtyp der PM zu einer his-getaggten Variante entstanden durch die elektrophoretische Sedimentation große Felder, in denen die PM fusioniert ist. Die Bildung dieser Felder wurde unter Variation der experimentellen Bedingungen untersucht. Aus diesen Messungen wurde ein möglicher Mechanismus abgeleitet

BANYAN. IV. Fundamental parameters of low-mass star candidates in nearby young stellar kinematic groups - Isochronal Age determination using Magnetic evolutionary models

Based on high resolution optical spectra obtained with ESPaDOnS at CFHT, we determine fundamental parameters (\Teff, R, \Lbol, \logg\ and metallicity) for 59 candidate members of nearby young kinematic groups. The candidates were identified through the BANYAN Bayesian inference method of \citet{2013malo}, which takes into account the position, proper motion, magnitude, color, radial velocity and parallax (when available) to establish a membership probability. The derived parameters are compared to Dartmouth Magnetic evolutionary models and to field stars with the goal to constrain the age of our candidates. We find that, in general, low-mass stars in our sample are more luminous and have inflated radii compared to older stars, a trend expected for pre-main sequence stars. The Dartmouth Magnetic evolutionary models show a good fit to observations of field K and M stars assuming a magnetic field strength of a few kG, as typically observed for cool stars. Using the low-mass members of $\beta$Pictoris moving group, we have re-examined the age inconsistency problem between Lithium Depletion age and isochronal age (Hertzspring-Russell diagram). We find that the inclusion of the magnetic field in evolutionary models increase the isochronal age estimates for the K5V-M5V stars. Using these models and field strengths, we derive an average isochronal age between 15 and 28 Myr and we confirm a clear Lithium Depletion Boundary from which an age of 26$\pm$3~Myr is derived, consistent with previous age estimates based on this method.Comment: Accepted for publication in Ap

Evaluation et auto-évaluation des niveaux et des variations de l'attention de l'enfant à l'adulte: approche chronopsychologique

International audienceLes variations journalières des processus cognitifs en situation d'apprentissage ont fait l'objet de nombreux travaux chez l'enfant scolarisé. Parmi ces processus, l'implication majeure de l'attention depuis la perception jusqu'à l'action est acquise. Concernant les rythmicités cognitives de l'adulte en formation, la littérature présente peu de travaux repérables dans ce milieu de vie et de développement. Par ailleurs, si les performances mesurées ont largement été investies dans l'étude des rythmicités cognitives de l'enfant à l'adulte, l'auto estimation reste elle-même peu étudiée. Le but poursuivi était d'évaluer les niveaux et les variations journalières de l'attention mesurée et auto-estimée de l'enfant à l'adulte selon une perspective développementale et d'investir les écarts entre mesures objectives et subjectives. Participants : 262 enfants scolarisés du CP au CM2 : 134 filles (âge moyen : 9 ± 2) ; 128 garçons (âge moyen : 9 ± 1), et 166 adultes en formation : 130 femmes (âge moyen : 31;2 ± 10) et 36 hommes (âge moyen : 27;10 ± 8). Matériel et déroulement : Tests de barrage et échelles visuelles analogiques (fatigue et vigilance) en passation collective à quatre moments d'une même journée (début et fin de matinée ; début et fin d'après-midi) au mois de mai. Les données ont été traitées par ANOVA à mesures répétées, analyses corrélationnelles et typologiques. Les analyses suggèrent la mise en place progressive d'un profil journalier de l'attention avec élévation des performances du début de la journée jusqu'en fin d'après-midi pour l'adulte. Ainsi le profil classique défini chez l'enfant constituerait une étape dans le développement de l'attention de l'enfant à l'adulte. Le creux post prandial observé dans la littérature chez les enfants semble disparaître avec l'avancée en âge et l'existence de profils différenciés chez les plus jeunes contraste avec la typologie des adultes principalement caractérisée par des différences de niveau d'attention sans différenciation de profil. Aucun effet du genre n'a été relevé quel que soit l'âge considéré. Si la mesure subjective de la vigilance n'est pas prédictive des performances attentionnelles et de leurs variations, elle est en lien avec l'autoévaluation de la fatigue suggérant l'effort fourni et ressenti pour maintenir les performances. Les relations entre mesures objectives et subjectives et leurs variations journalières ouvrent un champ nouveau à investir pour les travaux en chronopsychologie dans une perspective life span

Bayesian analysis to identify new star candidates in nearby young stellar kinematic groups

We present a new method based on a Bayesian analysis to identify new members of nearby young kinematic groups. The analysis minimally takes into account the position, proper motion, magnitude and color of a star, but other observables can be readily added (e.g. radial velocity, distance). We use this method to find new young low-mass stars in the \beta Pictoris (\beta PMG) and AB Doradus (ABDMG) moving groups and in the TW Hydrae (TWA), Tucana-Horologium (THA), Columba, Carina and Argus associations. Starting from a sample of 758 mid-KM (K5V-M5V) stars showing youth indicators such as H\alpha\ and X-ray emission, our analysis yields 215 new highly probable low-mass members of the kinematic groups analyzed. One is in TWA, 37 in \beta PMG, 17 in THA, 20 in Columba, 6 in Carina, 50 in Argus, 33 in ABDMG, and the remaining 51 candidates are likely young but have an ambiguous membership to more than one association. The false alarm rate for new candidates is estimated to be 5% for \beta PMG and TWA, 10% for THA, Columba, Carina and Argus, and 14% for ABDMG. Our analysis confirms the membership of 58 stars proposed in the literature. Firm membership confirmation of our new candidates will require measurement of their radial velocity (predicted by our analysis), parallax and lithium 6708 {\AA} equivalent width. We have initiated these follow-up observations for a number of candidates and we have identified two stars (2MASSJ0111+1526, 2MASSJ0524-1601) as very strong candidate members of the \beta PMG and one strong candidate member (2MASSJ0533-5117) of the THA; these three stars have radial velocity measurements confirming their membership and lithium detections consistent with young age. Finally, we proposed that six stars should be considered as new bona fide members of \beta PMG and ABDMG, one of which being first identified in this work, the others being known candidates from the literature.Comment: Accepted for publication in Ap

Research-Data Management Planning in the German Mathematical Community

In this paper we discuss the notion of research data for the field of mathematics and report on the status quo of research-data management and planning. A number of decentralized approaches are presented and compared to needs and challenges faced in three use cases from different mathematical subdisciplines. We highlight the importance of tailoring research-data management plans to mathematicians' research processes and discuss their usage all along the data life cycle

Synergistic phenotypic shifts during domestication promote plankton-to-biofilm transition in purple sulfur bacterium Chromatium okenii

The ability to isolate microorganisms from natural environments to pure cultures under optimized laboratory settings has markedly improved our understanding of microbial ecology. Laboratory-induced artificial growth conditions often diverge from those in natural ecosystems, forcing wild isolates into selective pressures which are distinct compared to those in nature. Consequently, fresh isolates undergo diverse eco-physiological adaptations mediated by modification of key phenotypic traits. For motile microorganisms, we still lack a biophysical understanding of the relevant traits which emerge during domestication, and possible mechanistic interrelations between them which could ultimately drive short-to-long term microbial adaptation under laboratory conditions. Here, using microfluidics, atomic force microscopy (AFM), quantitative imaging, and mathematical modelling, we study phenotypic adaptation of natural isolates of Chromatium okenii, a motile phototrophic purple sulfur bacterium (PSB) common to meromictic settings, grown under ecologically-relevant laboratory conditions over multiple generations. Our results indicate that the naturally planktonic C. okenii populations leverage synergistic shifts in cell-surface adhesive interactions, together with changes in their cell morphology, mass density, and distribution of intracellular sulfur globules, to suppress their swimming traits, ultimately switching to a sessile lifeform under laboratory conditions. A computational model of cell mechanics confirms the role of the synergistic phenotypic shifts in suppressing the planktonic lifeform. Over longer domestication periods (~10 generations), the switch from planktonic to sessile lifeform is driven by loss of flagella and enhanced adhesion. By investigating key phenotypic traits across different physiological stages of lab-grown C. okenii, we uncover a progressive loss of motility via synergistic phenotypic shifts during the early stages of domestication, which is followed by concomitant deflagellation and enhanced surface attachment that ultimately drive the transition of motile sulphur bacteria to a sessile biofilm state. Our results establish a mechanistic link between suppression of motility and surface attachment via synergistic phenotypic changes, underscoring the emergence of adaptive fitness under felicitous laboratory conditions that comes at a cost of lost ecophysiological traits tailored for natural environments

Recruitment and Baseline Characteristics of Participants in the AgeWell.de Study: A Pragmatic Cluster-Randomized Controlled Lifestyle Trial against Cognitive Decline

Targeting dementia prevention, first trials addressing multiple modifiable risk factors showed promising results in at-risk populations. In Germany, AgeWell.de is the first large-scale initiative investigating the effectiveness of a multi-component lifestyle intervention against cognitive decline. We aimed to investigate the recruitment process and baseline characteristics of the AgeWell.de participants to gain an understanding of the at-risk population and who engages in the intervention. General practitioners across five study sites recruited participants (aged 60-77 years, Cardiovascular Risk Factors, Aging, and Incidence of Dementia/CAIDE dementia risk score ≥ 9). Structured face-to-face interviews were conducted with eligible participants, including neuropsychological assessments. We analyzed group differences between (1) eligible vs. non-eligible participants, (2) participants vs. non-participants, and (3) between intervention groups. Of 1176 eligible participants, 146 (12.5%) dropped out before baseline; the study population was thus 1030 individuals. Non-participants did not differ from participants in key sociodemographic factors and dementia risk. Study participants were M = 69.0 (SD = 4.9) years old, and 52.1% were women. The average Montreal Cognitive Assessment/MoCA score was 24.5 (SD = 3.1), indicating a rather mildly cognitively impaired study population; however, 39.4% scored ≥ 26, thus being cognitively unimpaired. The bandwidth of cognitive states bears the interesting potential for differential trial outcome analyses. However, trial conduction is impacted by the COVID-19 pandemic, requiring adjustments to the study protocol with yet unclear methodological consequences

COVID-19 government measures and their impact on mental health: a cross-sectional study of older primary care patients in Germany

BackgroundWith the outbreak of COVID-19, government measures including social distancing and restrictions of social contacts were imposed to slow the spread of the virus. Since older adults are at increased risk of severe disease, they were particularly affected by these restrictions. These may negatively affect mental health by loneliness and social isolation, which constitute risk factors for depressiveness. We aimed to analyse the impact of perceived restriction due to government measures on depressive symptoms and investigated stress as mediator in an at-risk-population in Germany.MethodsData were collected in April 2020 from the population of the AgeWell.de-study, including individuals with a Cardiovascular Risk Factors, Aging, and Incidence of Dementia (CAIDE) score ≥9, using the depression subscale of the Brief Symptom Inventory (BSI-18) and the Perceived Stress Scale (PSS-4). Feeling restricted due to COVID-19 government measures was surveyed with a standardized questionnaire. Stepwise multivariate regressions using zero-inflated negative binomial models were applied to analyse depressive symptoms, followed by a general structural equation model to assess stress as mediator. Analysis were controlled for sociodemographic factors as well as social support.ResultsWe analysed data from 810 older adults (mean age = 69.9, SD = 5). Feeling restricted due to COVID-19 government measures was linked to increased depressiveness (b = 0.19; p < 0.001). The association was no longer significant when adding stress and covariates (b = 0.04; p = 0.43), while stress was linked to increased depressive symptoms (b = 0.22; p < 0.001). A final model confirms the assumption that the feeling of restriction is mediated by stress (total effect: b = 0.26; p < 0.001).ConclusionWe found evidence that feeling restricted due to COVID-19 government measures is associated with higher levels of depressive symptoms in older adults at increased risk for dementia. The association is mediated by perceived stress. Furthermore, social support was significantly associated with less depressive symptoms. Thus, it is of high relevance to consider possible adverse effects of government measures related to COVID-19 on mental health of older people